Ponti Isolati Criteri di progettazione ed analisi

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1 Ponti Isolati Criteri di progettazione ed analisi Università degli Studi di Pavia 1/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 1 Sommario 1) Criteri base della progettazione 2) Componenti del sistema di isolamento 3) Classificazione dei dispositivi 4) 5) Combinazione sismica 6) Principi di modellazione 7) Analisi e verifiche 8) Requisiti tecnici Riferimento: NTC 2008, cap Università degli Studi di Pavia 2/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 2 1

2 Ponti Isolati: Concetto di isolamento sismico e dissipazione energetica Obbiettivi: Protezione di pile e spalle da fenomeni di danno Ottenere una risposta strutturale regolare Concentrare le deformazioni in componenti facili da sostituire anche in caso di danneggiamento Università degli Studi di Pavia 3/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 3 Ponti Isolati: Concetto di isolamento sismico e dissipazione energetica FLESSIBITA AUMENTO DEL PERIODO Minori accelerazioni/forze strumento bassa rigidezza Scorrimento relativo DISSIPAZIONE ENERGETICA Riduzione di forze e spostamenti strumento Comportamento isteretico attrito viscosità Università degli Studi di Pavia 4/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 4 2

3 Ponti Isolati: Concetto di isolamento sismico e dissipazione energetica DISPLACEMENT ACCELERATION Laboratorio di progettazione strutturale A 5 Università degli Studi di Pavia 5/38 Ponti Isolati: Concetto di isolamento sismico e dissipazione energetica Azioni di progetto nei componenti strutturali Stima conservativa della resistenza strutturale (coefficienti di sicurezza sui materiali) Pile e spalle devono essere dimensionate in modo tale da garantirne la risposta in campo elastico F Rd F Sd o = φ ω F Amplificazione dell azione trasmessa dagli isolatori per tener conto della variabilità delle caratteristiche dei Contributo della dispositivi massa sismica delle pile rispetto alle proprietà nominali in funzione della variabilità delle condizioni di progetto (ad esempio: variabilità dell azione assiale agente, velocità di deformazione ecc.) N Resistenza ste nominale dei dispositivi Trascurato in analisi statica lineare (massa delle pile < 1/5 massa impalcato) Implicita in modelli 3D ad elementi finiti (analisi modale con spettro di risposta / analisi dinamiche) Università degli Studi di Pavia 6/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 6 3

4 Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati Componenti del sistema di isolamento Dispositivi di isolamento: funzioni principali Riduzione della rigidezza in direzione orizzontale Dissipazione energetica (eventuale) Funzione di ricentramento (eventuale) Connessioni o vincoli supplementari: elementi di connessione eventualmente inseriti allo scopo di: Limitare le deformazioni per deformazioni non sismiche (veicolari, vento) Creare un vincolo tra pile ed impalcato in caso di sisma (vincoli idraulici, i chiavi di taglio) Università degli Studi di Pavia 7/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 7 Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati 1. Statica lineare 2. Modale (dinamica lineare) 3. Statica non-lineare (Pushover) 4. Dinamica non-lineare NB: analisi lineari Quando la rigidezza e/o lo smorzamento equivalenti del sistema di isolamento dipendono significativamente dallo spostamento di progetto, deve applicarsi una procedura iterativa fino a che la differenza tra il valore assunto e quello calcolato sia inferiore al 5%. Università degli Studi di Pavia 8/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 8 4

5 Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati 1. Statica lineare requisiti per l applicazione a) il sistema d isolamento può essere modellato come lineare b) il periodo equivalente Tis della costruzione isolata ha un valore compreso fra 3 Tbf e 3,0 s, in cui Tbf è il periodo della sovrastruttura assunta a base fissa, stimato con un espressione approssimata; c) la rigidezza verticale del sistema di isolamento Kv è almeno 800 volte più grande della rigidezza equivalente orizzontale del sistema di isolamento Kesi; d) il periodo in direzione verticale Tv, calcolato come Tv = 2π M/ Kv, è inferiore a 0,1 s; e) nessun isolatore risulta in trazione per l effetto combinato dell azione sismica e dei carichi verticali; f) il sistema resistente all azione sismica possiede una configurazione strutturale regolare in pianta g) lo schema statico è a impalcati semplicemente appoggiati, oppure lo schema statico è a impalcati continui con geometria regolare, caratterizzata da: sostanziale rettilineità dell impalcato, luci uguali, rapporto massimo tra le rigidezze delle pile inferiore a 2, lunghezza totale dell impalcato continuo inferiore a 150m; h) la massa della metà superiore delle pile è inferiore a 1/5 della massa dell impalcato; i) le pile hanno altezza inferiore a 20 m; j) in direzione trasversale la distanza tra il centro di rigidezza del sistema di isolamento e il centro di massa dell impalcato non è superiore al 5% della dimensione trasversale della sovrastruttura. Università degli Studi di Pavia 9/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 9 Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati Il comportamento del sistema di isolamento può essere modellato come lineare equivalente se sono soddisfatte tutte le seguenti condizioni: a) la rigidezza equivalente del sistema d isolamento è almeno pari al 50% della rigidezza secante per cicli con spostamento pari al 20% dello spostamento di riferimento; b) lo smorzamento lineare equivalente del sistema di isolamento, come definito in precedenza, è inferiore al 30%; c) le caratteristiche forza-spostamento del sistema d isolamento non variano più del 10% per effetto delle variazioni della velocità di deformazione, in un campo di ±30% intorno al valore di progetto per effetto delle variazioni dell azione verticale sui dispositivi, nel campo di variabilità di progetto; d) l incremento della forza nel sistema d isolamento per spostamenti tra 0,5ddc e ddc, essendo ddc lo spostamento del centro di rigidezza dovuto all azione sismica, è almeno pari al 2,5% del peso totale della sovrastruttura. Università degli Studi di Pavia 10/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 10 5

6 Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati 1. Statica lineare procedura Università degli Studi di Pavia 11/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 11 Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati 1. Statica lineare procedura Università degli Studi di Pavia 12/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 12 6

7 Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati 2. Dinamica lineare (Modale) Requisiti per l applicazione a) il sistema d isolamento può essere modellato come lineare b) Il modello di utilizzato è comprensivo degli elementi della sottostruttura (pile) NB: Lo spettro elastico va ridotto per tutto il campo di periodi T 0,8 Tis,, assumendo per il coefficiente riduttivo η il valore corrispondente al coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξesi del sistema di isolamento. Università degli Studi di Pavia 13/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 13 Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati Combinazione con le altre azioni Azioni Masse NB: Considerare sempre anche le componente sismica verticale per l analisi di ponti Università degli Studi di Pavia 14/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 14 7

8 Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati Principi di Modellazione Eccentricità accidentale: solo per analisi statica lineare e = 0.03 L Ipotesi di comportamento lineare degli elementi strutturali La deformabilità verticale degli isolatori dovrà essere messa in conto quando il rapporto tra la rigidezza verticale del sistema di isolamento Kv e la rigidezza equivalente orizzontale Kesi è inferiore a 800 Valutare gli effetti della variabilità delle proprietà degli isolatori (per costruzioni di classe d uso III IV) Condizioni di MASSIMA rigidezza per valutare il livello delle forze trasmesse Condizioni di minima rigidezza per verifica della capacità di spostamento Se la variabilità delle proprietà del SI sono già state incluse nelle analisi gli elementi strutturali dovranno essere dimensionati in funzione delle sollecitazioni ottenute, senza applicare ulteriori fattori di sovraresistenza In caso contrario, le azioni trasmesse dovranno essere amplificate, in funzione della variabilità dei parametri dei dispositivi rispetto alle ipotesi di calcolo Università degli Studi di Pavia 15/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 15 Criteri di progettazione: ponti isolati Proprietà dei dispositivi Variabilità delle caratteristiche dei dispositivi di isolamento Φ0 = Università degli Studi di Pavia 16/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 16 8

9 Criteri di progettazione: ponti isolati Verifiche Stato limite di servizio (SLD) Si considerano soddisfatte se la struttura verifica i requisiti per lo SLV I dispositivi di isolamento non devono subire danni Per isolatori non-lineari, eventuali spostamenti residui al termine dell azione sismica allo SLD non devono essere tali da compromettere la funzionalità del ponte Connessioni strutturali e devono essere in grado di assorbire gli spostamenti differenziali corrispondenti allo SLD, senza che sia compromessa la funzionalità svolta Università degli Studi di Pavia 17/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 17 Criteri di progettazione: ponti isolati Verifiche Stato limite ultimo (SLV) Gli elementi della sottostruttura (pile) e della sovrastruttura (impalcato) devono essere verificati rispetto alle sollecitazioni ottenute dall analisi (comportamento elastico) q=1 Se le pile non sono incluse nel modello, alle sollecitazioni ottenute occorre aggiungere anche gli effetti indotti dall accelerazione del terreno applicata ad esse (spettro di risposta accelerazione pari a PGA se le pile hanno periodo inferiore a 0.05s) Le parti dei dispositivi non soggette a dissipazione, devono rimanere in campo elastico, con un fattore di sicurezza pari ad 1.5 Isolatori mai in trazione (è consentito una sforzo di trazione pari al minimo tra 2G ed 1MPa solo per isolatori elastomerici) Università degli Studi di Pavia 18/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 18 9

10 Criteri di progettazione: ponti isolati Verifiche Stato limite ultimo (SLC) Capacità di spostamento degli isolatori: deve essere sufficiente a preservarli da rotture per lo spostamento ultimo d2 d2: valutato per un sisma allo SLC Isolatori a comportamento lineare: consentono le deformazioni lente devono essere considerate nella valutazione dello spostamento di progetto deformazioni termiche coefficiente di combinazione=0.5 Ritiro viscosità coefficiente di combinazione=1 Isolatori non-lineari: Se la soglia di snervamento è elevata, non subiscono deformazioni lente (assorbite dalla pila) Aggiungere il maggiore tra lo spostamento residuo allo SLD ed il 50% dello spostamento corrispondente all annullamento della forza, partendo dallo spostamento massimo ottenuto allo SLD e seguendo il ramo di scarico In particolare la capacità di spostamento di tutti i dispositivi deve tener conto degli effetti termici sulla struttura nel quale il dispositivo è inserito, i cui spostamenti indotti dovranno essere sommati a quelli prodotti dal terremoto di progetto. (ISTRUZIONI:. le verifiche allo SLC devono essere effettuate di necessità sulle sole costruzioni provviste di isolamento sismico ) Università degli Studi di Pavia 19/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 19 Documentazione tecnica Documentazione che accompagna la fornitura 1) Estremi dell attestato di conformità (CE) o dell attestato di qualificazione 2) Estremi della certificazione del processo di produzione 3) Estremi dei rapporti di prova 4) Caratteristiche tecniche dichiarate dal produttore 5) Prove di accettazione: su almeno il 20% dei dispositivi da mettere in opera A questa documentazione, si aggiunge L ATTESTATO DI ACCETTAZIONE, rilasciato all atto della posa in opera dal direttore dei lavori una volta verificata la corrispondenza dei dispositivi con le specifiche dichiarate dal produttore Università degli Studi di Pavia 20/38 Laboratorio di progettazione strutturale A 20 10